红石桥煤层气储层测井解释精细评价

陈 娜，王亚辉，米慧慧，吴文涛，郭珊珊

(陕西地矿物化探队有限公司，陕西 西安 710043)

0 前言

我国当今常规油气资源难以满足经济的快速发展，非常规油气资源的勘探与开发受到重视[1-3]。煤层气作为一种非常规油气资源，在我国储量丰富且具有广阔的勘探与开发前景[4-7]，因此开展煤层气研究具有十分的必要性与紧迫性。

煤层气是煤的伴生资源，是煤层在煤化的过程中生成的以吸附状为主[8]，主要赋存于基质孔隙中的天然气资源[9-11]。此外，煤层气还以游离态、溶解态存在，在高变质煤体中，这两种气体占比小，可忽略不计，但在中低变质煤中，需考虑游离与溶解态的气体含量。其成分以甲烷为主，其次为重烃类与氮气。煤层裂缝的存在，使得煤储层具双重孔隙结构即基质孔隙与裂缝孔隙的[12]；其中，基质孔隙拥有较大的比表面积，是甲烷吸附的主要载体，而裂缝不但构成煤层气的渗流通道[13]，且裂缝孔隙中充填的地层水，还为煤储层提供压力。煤层含气量与埋深、厚度、温压、变质程度、煤质成分、煤体结构、顶底板岩性、裂缝发育程度等多种因素相关联[14]。

在煤层气的研究中，测井具有快速、高效、低成本等优势[15]。本次以榆林市红石桥煤田为研究对象，开展煤层气工业组分、物性及含气量的精细研究，建立煤层气储层测井解释模型，以期实现对煤层气储层的定量认识与评价，并为后期煤层气是否具有开发价值提供理论依据。

1 区域概况

红石桥煤田位于陕甘宁台坳北部东缘，整体构造简单，为一向西倾斜的单斜体，其中发育褶皱构造和脆性断裂(带)。含煤地层为石炭二叠系的延安组和富县组，含煤层超过10层，可采煤层为2#、3#、3-1#、4-1#、5#、6#、8#、f1#。经统计研究区煤体镜质体反射率发现(表1)，其Ro值主要分布在0.45～0.61之间，根据我国煤阶划分标准[16]，则发育的煤种以长焰煤为主。储层温度范围为13.57°～19.66°；储层压力0.85～4.25 MPa，压力梯度0.34～0.96 MPa/100m；地应力2.85～5.19 MPa，应力梯度1.05～1.46 MPa/100m。

表1 研究区可采煤层储层镜质体最大反射率测定结果

2 煤层气储层评价

煤层气储层是煤层的主要载体，煤层气资源储量的高低受储层空间特征和物性分布的影响。本次将煤芯实验数据与现场测井资料相结合，对储层的顶底板岩性、煤质特征、物性及含气量进行精细研究，最终建立适合本研究区的煤层气测井解释模型。

图1 研究区工业组分间、固定碳与测井曲线相关性分析

2.1 煤质特征

煤质特征即为煤岩工业组分特征，煤层工业组分不仅能反应煤层质量，还对煤层含气量的评价具有重要意义。其主要包括固定碳、灰分、挥发分及水分。固定碳是煤层中的有机组分，其丰度值影响含气量的大小；灰分主要是煤层中的无机组分即矿物和杂质等，其含量大小与含气量呈负相关性；水分和挥发分的存在不利于煤层气的吸附。目前对工业组分的研究方法有岩心分析法与测井解释法[17-18]。本次对工业组分的分析采用测井解释法，即以煤心工业组分的测试数据为依托，分析各组分间以及固定碳、灰分与密度测井曲线相关联，最终获得煤岩工业组分的预测模型。

基于研究区10个煤样工业测试分析的基础上，对各工业组分间、固定碳与补偿密度进行相关性分析(图1)。结果表明：固定碳与灰分、挥发分具较强相关性，与水分相关性较弱；灰分与挥发分、水分的相关性均较弱。通过补偿密度与固定碳的散点分析可知：二者成较强的负相关，且相关性极强，因此本研究区采用补偿密度拟合计算固定碳含量，最后确定的工业组分预测模型为：

Fc=-71.411·DEN+150.11

Ad=-1.1173·Fc+69.23

Vdaf=-0.603 6·Fc+69.858

Mad=-0.416 7·Vdaf+20.943

2.2 煤层物性特征

煤层物性特征是指孔隙度与渗透率。煤层特殊的双重孔隙结构特征，导致孔渗预测模型与常规砂岩储层的孔渗研究有较大差异。

为了获得煤层孔隙度参数，引入反算骨架密度法，来确定研究区孔隙度值，其主要计算过程为：

(1)视孔隙度=(真密度-视密度)/真密度

(2)骨架密度=(补偿密度-视孔隙度)/(1-视孔隙度)

(3)反算骨架密度值与补偿密度交会分析，获得预测骨架密度参数模型(图2)

(4)预测孔隙度=(预测骨架密度-补偿密度)/(预测骨架密度-1)(表2)。

通过预测的孔隙度值与视孔隙度值45°交会图可知(图3)，预测孔隙度围绕45°线分布，说明反算骨架密度来预测孔隙度的结果可靠。

图2 研究区补偿密度与骨架密度交会图 图3 研究区预测孔隙度与视孔隙度45°交会图

表2 研究区预测孔隙度

2.3 煤层含气性分析

煤层含气量是评价煤层储层重要参数之一。含气量的预测方法有KIM、神经网络、多元回归分析等[19]。经国内外学者研究发现：多元回归模型在各个煤田含气量预测效果均较好。多元回归方法多为通过优选出煤层气含量的敏感性测井参数[20]，再将煤芯测试的含气量与选出的测井参数做回归分析，建立含气量模型，最终达到预测目的。

因此本次将研究区21个测试样品获得的含气量与对应的测井参数做散点分析，从而选出与含气量较敏感的测井参数。统计发现(如图4)：含气量与DEN、AC、GR、Fc 和Ad相关性较强。

图4 研究区煤层含气量与各测井参数相关性分析

设含气量VGAS，经相关性分析，可以利用上述五个参数做多元回归分析，最终建立的含气量模型为：

VGAS=0.001396AC+0.001036GR-2.8729DEN-0.00217Ad-0.0398Fc+5.5332

图5 研究区预测含气量与实测含气量45°交会图分析

R=0.68；F=6.39，P=0.002(P<=0.01，则结果具有极其显著统计学意义)，则回归方程有效。

为了对比真实值与预测值间的误差，绘制了利用回归模型获得的预测含气量与实测含气量45°散点交会图像(如图5)，发现二者围绕45°线分布，则表明预测模型有效。

3 应用实例分析

QZK231X井是研究区一口煤层气评价井，根据上述研究成果对目的煤层进行详细评价(表3、图6)。煤层顶底板岩性比值较高，则封盖性良好；预测的工业组分中固定碳、灰分、挥发分和水分均值分别为40.79%、22.02%、45.42%和2.69%；预测孔隙度值为7.05%，预测含气量值0.28 mL/g。

研究区煤层顶底板封盖性较好，但煤层变质程度低，镜质组组分含量较低，煤的生气能力较差，造成煤层含气量偏低，小于《煤层气资源勘查技术规范》(GB/T29119-2012)褐煤-长焰煤、气煤-瘦煤煤层气储量估算的下限标准1 m3/t，故井田内煤层气资源开发利用的价值较低。

图6 研究区QZK2井测井综合解释成果

表3 研究区QZK231X井煤层气测井预测综合统计值

4 结语

(1)经统计，补偿密度与固定碳相关性较强，则通过补偿密度与固定碳、固定碳与其他工业组分间的相关性，最终建立了工业组分测井解释模型。

(2)通过补偿密度反算骨架密度，进而得到的预测孔隙度与实测孔隙度值关联度较高，因此利用补偿密度建立孔隙度预测模型有效，能定量评价煤层储层的物性特征。

(3)本研究区将测试的含气量与固定碳、灰分及测井参数做多元回归分析，利用多元回归式预测的含气量与测试含气量交会，其值围绕45°线展布，则表明该模型有效。

(4)研究区煤层变质程度低、镜质组组分含量较低，因此煤层的生气能力较差，造成煤层含气量偏低，不具有商业开采价值。